CD圓二色光譜的理論和實(shí)驗(yàn)

1、seminar iseminar i cd(cd(圓二色圓二色) )光譜的理論和實(shí)驗(yàn)光譜的理論和實(shí)驗(yàn) 報(bào)告人：李冠娜報(bào)告人：李冠娜 導(dǎo)導(dǎo) 師：李師：李 燦燦 研究員研究員/ /院士院士 2008/05/27報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容 一、一、 現(xiàn)象描述和基本理論現(xiàn)象描述和基本理論 二二 、圓二色光譜儀工作原理、圓二色光譜儀工作原理 三三 、圓二色譜的應(yīng)用實(shí)例、圓二色譜的應(yīng)用實(shí)例 四四 、總結(jié)、總結(jié)光的振動(dòng)面不隨時(shí)間光的振動(dòng)面不隨時(shí)間變化變化光波的電場(chǎng)矢量端點(diǎn)光波的電場(chǎng)矢量端點(diǎn)在空間的軌跡在平面在空間的軌跡在平面上的投影為圓形上的投影為圓形振幅相等、位相差振幅相等、位相差1/4波長(zhǎng)的兩束線偏波長(zhǎng)的兩束線偏

2、振光合成圓偏振光。振光合成圓偏振光。振幅、頻率、相位相振幅、頻率、相位相同，旋轉(zhuǎn)方向相反的同，旋轉(zhuǎn)方向相反的左、右旋圓偏振光合左、右旋圓偏振光合成一束平面偏振光成一束平面偏振光線偏振與圓偏振光概念線偏振與圓偏振光概念園二色光譜示意圖園二色光譜示意圖 r/nm l/nm (l-r)/nm振幅、頻率、相位相同，旋轉(zhuǎn)方向相振幅、頻率、相位相同，旋轉(zhuǎn)方向相反的左、右旋圓偏振光合成一束平面反的左、右旋圓偏振光合成一束平面偏振光偏振光通過手性物質(zhì)后電場(chǎng)矢量的振幅通過手性物質(zhì)后電場(chǎng)矢量的振幅不同，合成橢圓偏振光。不同，合成橢圓偏振光。rlaa )/()(lcaarlrlrlrleeeetg1clclaaar

3、lrl4180303. 2)(4180303. 24180303. 2)(4180303. 2 3300)(3300100rlcl橢圓率橢圓率橢圓率與圓二色吸收的關(guān)系橢圓率與圓二色吸收的關(guān)系摩爾橢圓率與摩爾吸收系數(shù)的關(guān)系摩爾橢圓率與摩爾吸收系數(shù)的關(guān)系rlaaa園二色性（園二色性（cd）cliiiia00ln303. 21lglambert-beer定律定律圓二色光譜儀結(jié)構(gòu)圖圓二色光譜儀結(jié)構(gòu)圖lsm0m1s1m2m3m4m5s2s3p1p2lfcdmshpm趙南明，趙南明， 周夢(mèng)海周夢(mèng)海 生物物理學(xué)生物物理學(xué)http:/ 手性光）通過一定的物質(zhì)時(shí)所顯示的總的手性光）通過一定的物質(zhì)時(shí)所顯示的總的旋

4、光性的不同，旋光性的不同， 而判定該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)變化。而判定該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)變化。1 1測(cè)定生物大分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定生物大分子的結(jié)構(gòu) 通過圓二色光譜儀測(cè)量生物大分子的圓二色光譜從而獲得生物大分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的信通過圓二色光譜儀測(cè)量生物大分子的圓二色光譜從而獲得生物大分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的信息，是簡(jiǎn)便和快捷的獲得生物大分子結(jié)構(gòu)的手段之一。圓二色光譜對(duì)蛋白質(zhì)的構(gòu)象息，是簡(jiǎn)便和快捷的獲得生物大分子結(jié)構(gòu)的手段之一。圓二色光譜對(duì)蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化非常靈敏，可應(yīng)用于蛋白質(zhì)折疊蛋白質(zhì)構(gòu)象研究，變化非常靈敏，可應(yīng)用于蛋白質(zhì)折疊蛋白質(zhì)構(gòu)象研究，dna/rna 反應(yīng)，酶動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)，酶動(dòng)力學(xué)，光學(xué)活性物質(zhì)純度測(cè)量，藥物定量分

5、析。圓二色光譜亦是研究稀溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象光學(xué)活性物質(zhì)純度測(cè)量，藥物定量分析。圓二色光譜亦是研究稀溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的一種快速、簡(jiǎn)單、較準(zhǔn)確的方法。的一種快速、簡(jiǎn)單、較準(zhǔn)確的方法。 2 2測(cè)定化合物的立體結(jié)構(gòu)測(cè)定化合物的立體結(jié)構(gòu) 圓二色光譜儀可用于測(cè)定有機(jī)化合物、金屬絡(luò)合物、聚合物等的立體結(jié)構(gòu)。圓二色光譜儀可用于測(cè)定有機(jī)化合物、金屬絡(luò)合物、聚合物等的立體結(jié)構(gòu)。3 3測(cè)定生物大分子與小分子的相互作用測(cè)定生物大分子與小分子的相互作用 測(cè)定小分子化合物與大分子相互作用后引起的生物大分子結(jié)構(gòu)的變化，皆以進(jìn)行以測(cè)定小分子化合物與大分子相互作用后引起的生物大分子結(jié)構(gòu)的變化，皆以進(jìn)行以生物大分子為靶點(diǎn)活性化合物

6、的篩選或研究藥物的作用機(jī)制。生物大分子為靶點(diǎn)活性化合物的篩選或研究藥物的作用機(jī)制。 八區(qū)定律八區(qū)定律nina berova, lorenzo di bari, gennaro pescitelli chem.soc.rev., 2007, 36, 914-931(a) c=o鍵的中心為原點(diǎn)鍵的中心為原點(diǎn), 用用xy、xz、yz三個(gè)平面隔開三個(gè)平面隔開, 產(chǎn)生八個(gè)空間。產(chǎn)生八個(gè)空間。 (b) xy平面后方的四個(gè)空間稱后八區(qū)平面后方的四個(gè)空間稱后八區(qū), xy平面前方的四個(gè)空間稱為前八區(qū)平面前方的四個(gè)空間稱為前八區(qū).一一 般化合物只考慮后八區(qū)。般化合物只考慮后八區(qū)。(c) 位于正、負(fù)區(qū)的取代效應(yīng)可以

7、相抵消。位于正、負(fù)區(qū)的取代效應(yīng)可以相抵消。(d) 取代基貢獻(xiàn)的大小隨著與生色團(tuán)的距離增加而減小取代基貢獻(xiàn)的大小隨著與生色團(tuán)的距離增加而減小, 貢獻(xiàn)大小與取代基貢獻(xiàn)大小與取代基的性質(zhì)有關(guān)。的性質(zhì)有關(guān)。xyz預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)()-螺旋； ()-折疊；()-轉(zhuǎn)角；() p2 (0.1mol/ l 醋酸溶液中的聚-l-脯氨酸)黃漢昌，姜招峰，朱宏吉黃漢昌，姜招峰，朱宏吉化學(xué)通報(bào)化學(xué)通報(bào)，2007年年70卷卷7期期, 501-506頁(yè)頁(yè) ,、,、, 分別為螺旋、折疊和無規(guī)則結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)處的橢圓率值f、f、f分別為螺旋、折疊和無規(guī)則結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中所占重量百分比 發(fā)色團(tuán)的激發(fā)耦合發(fā)

8、色團(tuán)的激發(fā)耦合1221212131221123eeeeeerv ,212222102112120rrvn. berova and k. nakanishi, circular dichroism: principles and applications, wiley-vch, new york, 2nd ed., 2000exciton chirality: fundamentals and frontiers, monatsh. chem., 2005, 136(3)o. mcconnell, a. bach, c. balibar, et al., chirality, 2007, 19,

9、658 - 682 a 手性客體分子與含發(fā)色團(tuán)的非手性主體手性客體分子與含發(fā)色團(tuán)的非手性主體 超分子體系誘導(dǎo)超分子體系誘導(dǎo)cd（icd） 超分子體系誘導(dǎo)超分子體系誘導(dǎo)cd（icd）b 帶發(fā)色團(tuán)的非手性小分子鍵合手帶發(fā)色團(tuán)的非手性小分子鍵合手性生物高聚物主體中，如蛋白質(zhì)，性生物高聚物主體中，如蛋白質(zhì)，多肽，寡核苷酸，低聚糖（環(huán)糊多肽，寡核苷酸，低聚糖（環(huán)糊精）。精）。c 幾個(gè)客體分子同時(shí)結(jié)合在主體大幾個(gè)客體分子同時(shí)結(jié)合在主體大分子的不同活性位。分子的不同活性位。d 不含發(fā)色團(tuán)的手性配體與在不含發(fā)色團(tuán)的手性配體與在uv-vis區(qū)有區(qū)有d 或或 f 型躍遷的金屬離子型躍遷的金屬離子絡(luò)合，產(chǎn)生絡(luò)合，產(chǎn)

10、生icd活性?；钚?。s. allenmark, chirality, 2003, 15, 409-422g. ascoli, e. domenici, c. bertucci, chirality, 2006, 18, 667-679l. di bari, g. pescitelli and p. salvadori, chem.eur. j., 2004, 10, 12051214 停留技術(shù)停留技術(shù)&固態(tài)固態(tài)cd光譜光譜pva 膜、膜、- ni(h- ni(h2 2o)o)6 6.so.so4 4 單晶的單晶的固態(tài)固態(tài)cd譜譜m. kelly, et al., biochimica.

11、 biophysica., 2005, 1751, 119-139r. kuroda, et al., rev. sci. instrum., 2001, 72, 3802-3810亮氨酸拉鏈?zhǔn)蕉嚯脑诹涟彼崂準(zhǔn)蕉嚯脑趃dmcl中變形后再折疊過中變形后再折疊過程在程在220nm處的停留處的停留cd曲線曲線 cd光譜的理論模擬光譜的理論模擬 尋找穩(wěn)定構(gòu)象尋找穩(wěn)定構(gòu)象（mnote-carlo, dft)與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)比較與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)比較（nmr或其他）或其他）各構(gòu)型各構(gòu)型cd譜線譜線（r vs.)擬合光譜擬合光譜（線型，帶寬）（線型，帶寬）平均譜圖平均譜圖（boltzmann, exp. )j. ste

12、phens, et al., chirality, 2008, 20, 454470總結(jié)總結(jié)cd 技術(shù)是檢測(cè)手性光活性的較成熟的幾種方法之一，在過去的幾十年中，cd光譜技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和分析方面取得了很大的進(jìn)展?，F(xiàn)代cd光譜儀可以實(shí)現(xiàn)163-1100nm 紫外可見和近紅外區(qū)的信號(hào)測(cè)量。目前已經(jīng)有研究組開展真空紫外區(qū)的儀器研發(fā)工作。cd 光譜具有高靈敏度（a/a 10-2，vcd a/a 10-4，-6 )，需樣品量少（0.1mg（深紫外），1mg（近紫外-可見區(qū)），檢測(cè)時(shí)間短，對(duì)樣品無破壞。主-客體復(fù)合物在uv-vis區(qū)展現(xiàn)的強(qiáng)吸收和熒光性質(zhì)對(duì)研究體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常有價(jià)值。cd 光譜存在分辨率

13、低，特定發(fā)色團(tuán)譜峰歸屬困難等問題，需要借助激發(fā)態(tài)量化計(jì)算來進(jìn)行深入的解釋。cd 光譜與旋光光譜，nmr，uv-vis，x-ray晶體衍射等方法結(jié)合，獲得更全面可靠的結(jié)果。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)j. stephens, et al., chirality, 2008, 20, 454470m. kelly, et al., biochimica. biophysica., 2005, 1751, 119-139r. kuroda, et al., rev. sci. instrum., 2001, 72, 3802-3810黃漢昌，姜招峰，朱宏吉黃漢昌，姜招峰，朱宏吉化學(xué)通報(bào)化學(xué)通報(bào)，2007年年70

14、卷卷7期期, 501-506頁(yè)頁(yè)s. allenmark, chirality, 2003, 15, 409-422g. ascoli, e. domenici, c. bertucci, chirality, 2006, 18, 667-679l. di bari, g. pescitelli and p. salvadori, chem.eur. j., 2004, 10, 12051214o. mcconnell, a. bach, c. balibar, et al., chirality, 2007, 19,658 - 682趙南明，趙南明， 周夢(mèng)海周夢(mèng)海 生物物理學(xué)生物物理學(xué) n.

15、 berova and k. nakanishi, circular dichroism: principles and applications, wiley-vch, new york, 2nd ed., 2000exciton chirality: fundamentals and frontiers, monatsh. chem., 2005, 136(3)g.gottarelli, s. lena, s. masiero, et al., chirality, 2008, 20, 471-485p. j. stephens, d. m. mccann, f. j. devlin, e

16、t al., j. am. chem. soc., 2004, 126, 7514-7521thank you ! 總結(jié)總結(jié)cd 與與 吸收光譜相比在結(jié)構(gòu)分析中的優(yōu)點(diǎn)吸收光譜相比在結(jié)構(gòu)分析中的優(yōu)點(diǎn)（1）吸收譜均是正值，若同時(shí)存在多個(gè)吸收峰，其互相交疊，分析困難。（2）cd 譜線可正可負(fù)，其極值與吸收譜一致。cd 與與 x-ray 和和 nmr 方法比較方法比較（1）x-ray 和 nmr 可以給出原子級(jí)別分辨的分子結(jié)構(gòu)信息，而 cd 是一種體現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的低分辨技術(shù)。（2）cd 測(cè)量所需樣品量很少 0.1mg（深紫外） 1mg（近紫外-可見區(qū)），對(duì)樣品沒有特殊要求，測(cè)量時(shí)間短，對(duì)樣品無破環(huán)。

17、（3）cd 可以在各種實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。圓二色光譜的應(yīng)用圓二色光譜的應(yīng)用 i螺旋螺旋: 190nm (+) 208nm, 222nm (-)折疊折疊: 195nm (+) antiparallel: red shiftparallel: blue shift215-217nm(-) 無規(guī)則卷曲無規(guī)則卷曲: bellow 200nm (-) 218nm (+)基本理論基本理論22ijijijmfdijijijmrdvstransitionalljiijr,0eiejijjiijmr im 100100rwmrwwwmmlc比橢圓率比橢圓率摩爾橢圓率摩爾橢圓率平均殘基橢圓率平均殘基橢圓率o

18、r旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象rllr在 非 旋 光 介 質(zhì) 中在 旋 光 介 質(zhì) 中旋光現(xiàn)象是由于平面偏振光通過旋光性物質(zhì)時(shí)，組成平面偏振光的左旋圓偏光旋光現(xiàn)象是由于平面偏振光通過旋光性物質(zhì)時(shí)，組成平面偏振光的左旋圓偏光和右旋圓偏光在介質(zhì)中的傳播速度不同和右旋圓偏光在介質(zhì)中的傳播速度不同(即折射率不同即折射率不同nl nr)，使平面偏振光，使平面偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度造成。的偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度造成。there are three methods for measuring the cd of a samplei. the most straight-forward is to measure

19、 the absorption for each rotation of light and subtract directly the measurement for right circularly polarized light from the measurement for left circularly polarized light this method is pioneered in a commercial instrument for electronic cd by on-line instrument systems (olis, bogart, georgia).t

20、his dual beam collection and direct subtraction method has two advantages in addition to the flat baseline. first.cd signals are measured correctly. second, the instrument is measuring absorbance directly, so there is no constant of proportionality to calibrate. ii. to measure the ellipticity impart

21、ed on linearly polarized light that passes through the sample. this method is limited by the quality of the linearly polarized light and the mechanics of measuring the small perpendicular component of the elliptically polarized light. iii. the third method is to modulate the light between the two ro

22、tations, and measure the difference at each wavelength. this method is well suited to analog electronics, and is the method used by most commercial instrumentation. cd stopped-flowthe data above represents the following conditions: 12 second acquisition time, one single cd stoppedflow shot, gluconol

23、actone vs. naoh, 11:1 mix, 5 millisecond deadtime, 300 l solution total, high volts = 267 & 235.一、測(cè)定原理：一、測(cè)定原理：圓二色光譜儀圓二色光譜儀（cd）是利用左旋、右旋偏振光（是利用左旋、右旋偏振光（ 手性光）通過一定的物質(zhì)時(shí)所顯手性光）通過一定的物質(zhì)時(shí)所顯示的總的示的總的旋光性的不同，旋光性的不同， 而判定該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)變化。而判定該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)變化。 在電磁輻射是偏振光的情況下，偏振光與某些基團(tuán)的共振和這些基團(tuán)的不對(duì)稱性有關(guān)，研究分子的這種不對(duì)稱性的主要技術(shù)是旋光光譜和二色性

24、光譜。后者以圓二色光譜最為成熟。由于生物大分子在結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性，因此可以用旋光光譜和圓二色光譜來測(cè)定它們的立體結(jié)構(gòu)（見）。二、園二色譜儀的應(yīng)用：二、園二色譜儀的應(yīng)用： 1測(cè)定生物大分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定生物大分子的結(jié)構(gòu) 通過圓二色光譜儀測(cè)量生物大分子的圓二色光譜從而獲得生物大分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的信通過圓二色光譜儀測(cè)量生物大分子的圓二色光譜從而獲得生物大分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的信息，是簡(jiǎn)便和快捷的獲得生物大分子結(jié)構(gòu)的手段之一。圓二色光譜對(duì)蛋白質(zhì)的構(gòu)象息，是簡(jiǎn)便和快捷的獲得生物大分子結(jié)構(gòu)的手段之一。圓二色光譜對(duì)蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化非常靈敏，可應(yīng)用于蛋白質(zhì)折疊蛋白質(zhì)構(gòu)象研究，變化非常靈敏，可應(yīng)用于蛋白質(zhì)折疊蛋白質(zhì)構(gòu)象研究，d

25、na/rna 反應(yīng)，酶動(dòng)力反應(yīng)，酶動(dòng)力學(xué)，光學(xué)活性物質(zhì)純度測(cè)量，藥物定量分析。圓二色光譜亦學(xué)，光學(xué)活性物質(zhì)純度測(cè)量，藥物定量分析。圓二色光譜亦是研究稀溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的一種快速、簡(jiǎn)單、較準(zhǔn)確的方法。是研究稀溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的一種快速、簡(jiǎn)單、較準(zhǔn)確的方法。 2測(cè)定化合物的立體結(jié)構(gòu)測(cè)定化合物的立體結(jié)構(gòu) 圓二色光譜儀可用于測(cè)定有機(jī)化合物、金屬絡(luò)合物、聚合物等的立體結(jié)構(gòu)。圓二色光譜儀可用于測(cè)定有機(jī)化合物、金屬絡(luò)合物、聚合物等的立體結(jié)構(gòu)。 3測(cè)定生物大分子與小分子的相互作用測(cè)定生物大分子與小分子的相互作用 測(cè)定小分子化合物與大分子相互作用后引起的生物大分子結(jié)構(gòu)的變化，皆以進(jìn)行以測(cè)定小分子化合物與大分子相互作用后引起的生物大分子結(jié)構(gòu)的變化，皆以進(jìn)行以生物大分子為靶點(diǎn)活性化合物的篩選或研究藥物的作用機(jī)制。生物大分子為靶點(diǎn)活性化合物的篩選或研究藥物的作用機(jī)制。 貢獻(xiàn)大小還與取代基的性質(zhì)有關(guān)。貢獻(xiàn)大小還與取代基的性質(zhì)有關(guān)。八區(qū)定律八區(qū)定律o142o41678359c h3c h3c h36235789987 從三甲基己酮氧的一側(cè)來看，從三甲基己酮氧的一側(cè)來看，xy平面后方的四個(gè)空間稱后八